AT413910B - POWER SUPPLY - Google Patents
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Description
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AT 413 910 BAT 413 910 B
Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsspannung mit einer Ansteuerschaltung zum Ansteuern zumindest eines gesteuerten Schalters, welcher die Eingangsspannung periodisch an zumindest eine Primärwicklung eines Übertragers legt, wobei eine Hilfsspannung für die Ansteuerschaltung mit Hilfe eines 5 Halbleiter-Hilfsschalters bei Abfallen der Eingangsspannung unter einen vorgebbaren Mindestwert abschaltbar ist, wobei die Hilfsspannung einerseits eine aus der Eingangsspannung abgeleitete erste Hilfsversorgungsspannung und andererseits eine von einer Hilfswicklung des Übertragers durch Gleichrichten abgeleitete zweite Hilfsversorgungsspannung ist. io Bei Schaltnetzteilen der gegenständlichen Art bezieht die Ansteuerschaltung die für ihren Betrieb erforderliche Hilfsversorgungsspannung zunächst beim Hochlaufen aus einem über einen hochohmigen Strompfad aus der Eingangsspannung liegenden Hilfsspannungskondensator als erste Hilfsversorgungsquelle, zum Teil während des Hochlaufens und danach jedoch aus einer Hilfswicklung des Übertragers nach Gleichrichtung und Regelung mittels eines Längsreglers als 15 zweite Hilfsversorgungsquelle. Eine ständige Spannungsversorgung der Ansteuerschaltung über die Eingangsspannung, welche meist durch Gleichrichten einer Netzwechselspannung gewonnen und oft Zwischenkreisspannung genannt wird, würde zu unerwünschten Verlusten in dem Vorwiderstand führen, da die Eingangsspannung bis zu 370 Volt und mehr betragen kann, die Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung jedoch beispielsweise nur bei 15 Volt liegt, 20 sodass die Spannungsdifferenz an dem Vorwiderstand liegen muss und auch bei nur geringer Stromaufnahme der Ansteuerschaltung von z. B. 10 mA die zu vernichtende Leistung einige Watt betragen würde.The invention relates to a switching power supply for converting a DC input voltage into an output voltage having a drive circuit for driving at least one controlled switch, which periodically applies the input voltage to at least one primary winding of a transformer, wherein an auxiliary voltage for the drive circuit by means of a semiconductor 5 auxiliary switch Fall of the input voltage below a predetermined minimum value can be switched off, wherein the auxiliary voltage is on the one hand derived from the input voltage first auxiliary supply voltage and on the other hand, derived from an auxiliary winding of the transformer by rectifying second auxiliary supply voltage. In the case of switched-mode power supply units of the type in question, the drive circuit initially draws the auxiliary supply voltage required for its operation from a auxiliary voltage capacitor via a high-impedance current path as a first auxiliary supply source, partly during startup and then from an auxiliary winding of the transformer to rectification and regulation by means of a longitudinal regulator as a second auxiliary supply source. A constant power supply of the drive circuit via the input voltage, which is usually obtained by rectifying a mains AC voltage and often called DC link voltage, would lead to undesirable losses in the series resistor, since the input voltage can be up to 370 volts and more, but the supply voltage of the drive circuit, for example only is at 15 volts, 20 so that the voltage difference must be at the resistor and even with only low power consumption of the drive circuit of z. B. 10 mA the power to be destroyed would amount to a few watts.
Von bekannt gewordenen Dokumenten zeigen die JP 09182425 A ein primärgetaktetes Schalt-25 netzteil mit einem Optokoppler zwischen Sekundär- und Primärseite. Um Schaltspikes an einem primären Strommesswiderstand zu unterdrücken und um dadurch die Stabilität der Schaltung insbesondere bei geringen Lasten zu erhöhen, ist ein zusätzlicher Transistor zur Entladung eines Filterkondensators vorgesehen. Die EP 0657986 A1 zeigt gleichfalls einen Schaltwandler mit einem Optokoppler zwischen Sekundär- und Primärseite, wobei zwischen Optokoppler und 30 Komparator des Ansteuerbausteins ein FET eingesetzt wird, um eine niedrig belastbare Referenzspannungsquelle einsetzen zu können. Dadurch ist eine unabhängige Dimensionierung von Optokoppler-Beschaltung und Referenzspannungsteiler möglich. Der EP 360 908 A1 ist ein primärgetaktetes Schaltnetzteil zu entnehmen, bei welchem die Hilfsspannungsversorgung über einen Zweipunktregler gesteuert wird, um im Normalbetrieb die Verlustleistung dieses Zweiges 35 gering zu halten und dennoch ein rasches Wiedereinschalten nach einem Abschalten zu ermöglichen.From documents which have become known, JP 09182425 A shows a primary-switched switching power supply with an optocoupler between secondary and primary side. In order to suppress switching spikes on a primary current sense resistor and thereby increase the stability of the circuit, especially at low loads, an additional transistor for discharging a filter capacitor is provided. EP 0657986 A1 likewise shows a switching converter with an optocoupler between the secondary and primary side, wherein a FET is used between the optocoupler and the comparator 30 of the drive module in order to be able to use a low-load reference voltage source. As a result, an independent dimensioning of optocoupler circuitry and reference voltage divider is possible. EP 360 908 A1 discloses a primary-clocked switched-mode power supply, in which the auxiliary voltage supply is controlled via a two-point regulator, in order to keep the power loss of this branch 35 low during normal operation and still allow a rapid restarting after a shutdown.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem geht davon aus, dass bei Absinken der Eingangsgleichspannung unter einen bestimmten Wert, z. B. 100 Volt, die Spannungsversorgung 40 der Ansteuerschaltung unterbrochen werden soll, damit das Schaltnetzteil stillgelegt ist. Anderenfalls wäre kein ordungsgemäßer Betrieb möglich, es käme z. B. zu den Grenzen des Tastverhältnisses des Ansteuerpulses für den Schalter, zu hohen Strömen, etc. Weiters muss der genannte Schwellspannungswert, bei welchem aus- bzw. wieder eingeschaltet werden soll, mit einer Hysterese behaftet sein, sonst käme es zu Instabilitäten. 45The problem underlying the invention assumes that when the input DC voltage drops below a certain value, for. B. 100 volts, the power supply 40 of the drive circuit should be interrupted so that the switching power supply is shut down. Otherwise, no proper operation would be possible, it would be z. For example, to the limits of the duty cycle of the drive pulse for the switch, too high currents, etc. Furthermore, said threshold voltage value at which off or to be turned on again, must be subject to a hysteresis, otherwise it would lead to instabilities. 45
Die Schaltung eines Schaltnetzteils nach dem Stand der Technik, bei welchem das genannte Abschalten bzw. wieder Einschalten der Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung möglich ist, ist in Fig. 1 gezeigt. Eine Eingangsgleichspannung Üzk, die beispielsweise durch Gleichrichten einer Netzwechselspannung gewonnen wurde und deren Nominalbereich beispielsweise so zwischen 120 und 370 Volt liegt, kann über einen gesteuerten Schalter S an eine Primärwicklung Wp eines Übertragers UET geschaltet werden. Der geschaltete Strom fließt dabei über einen Sensorwiderstand Rsh, von dem eine dem Strom entsprechende Information an eine Ansteuerschaltung AST geliefert wird, welche einen Steuerpuls an die Steuerelektrode des gesteuerten Schalters S liefert. Sekundärseitig wird die Spannung einer Sekundärwicklung Ws 55 des Übertragers mit Hilfe einer Gleichrichterdiode Dg gleichgerichtet, an einem Kondensator Ca 3The circuit of a switching power supply according to the prior art, in which said switching off or again switching on the supply voltage of the drive circuit is possible, is shown in Fig. 1. An input DC voltage Uzk, which has been obtained, for example, by rectifying an AC line voltage and whose nominal range is, for example, between 120 and 370 volts, can be connected via a controlled switch S to a primary winding Wp of a transformer UET. The switched current thereby flows through a sensor resistor Rsh, from which information corresponding to the current is supplied to a drive circuit AST, which supplies a control pulse to the control electrode of the controlled switch S. On the secondary side, the voltage of a secondary winding Ws 55 of the transformer is rectified by means of a rectifier diode Dg, to a capacitor Ca 3rd
AT 413910 B geglättet und steht als Ausgangsspannung Ua zur Verfügung. Die Information eines an der Ausgangsspannung Ua liegenden Spannungssensors SPS wird über einen Optokoppler OKO der Ansteuerschaltung AST zugeführt, sodass eine Regelung der Ausgangsspannung durch entsprechende Änderung des Tastverhältnisses des Ansteuerpulses für den Schalter S möglich 5 ist. Daneben kann auch auf eine primärseitige Spannung geregelt werden, ebenso auf einen Ausgangsstrom oder einen Eingangsstrom, wobei dem Fachmann diese Regelungsarten und ihre Kombinationen wohl bekannt sind.AT 413910 B smoothed and is available as output voltage Ua. The information of a lying at the output voltage Ua voltage sensor PLC is supplied via an optocoupler OKO the drive circuit AST, so that a regulation of the output voltage by appropriate change of the duty cycle of the drive pulse for the switch S is possible 5. In addition, it is also possible to regulate to a primary-side voltage, as well as to an output current or an input current, the skilled person being familiar with these types of regulation and their combinations.
Die Ansteuerschaltung AST besitzt einen Eingang H für ihre Betriebsspannung, im Folgenden io Hilfsversorgungsspannung genannt. Diese Hilfsversorgungsspannung wird, wie bereits oben erwähnt, auf zweierlei Art gewonnen. Während der Anlaufphase der Ansteuerschaltung bzw. des Schaltnetzteils ganz allgemein steht eine Spannung zur Verfügung, die an einem Hilfsspannungskondensator Cs liegt und mit Hilfe 15 eines hochohmigen Strompfades, hier eines hochohmigen Vorwiderstandes Rs, gewonnen wird. Diese Spannung ist hier mit Uh bezeichnet und sie wird über die Schaltstrecke eines Halbleiter-Hilfsschalters Ts zu dem genannten Spannungsversorgungseingang H der Ansteuerschaltung AST geführt. 2o Während des Betriebes des Schaltnetzteils liefert eine Hilfswicklung Wh eine Spannung, die mit Hilfe einer Gleichrichterdiode D gleichgerichtet und an einem Kondensator C geglättet wird. Diese Spannung wird über einen Längsregler LAE und eine Entkopplungsdiode De gleichfalls zu dem Versorgungseingang H der Ansteuerschaltung AST geführt. 25 Um das hysteresebehaftete Aus- bzw. Einschalten des Hilfsschalters Ts, der hier einen Basis-Emitterwiderstand Rbe aufweist, zu ermöglichen, ist ein Komparator KOM vorgesehen, dessen Ausgang zu dem Schalteingang des Hilfsschalters Ts, hier zur Basis, geführt ist. Der positive Eingang des Komparators KOM liegt an der von einer Zenerdiode Zref erzeugten Referenzspannung Uref. Die Zenerdiode Zref erhält ihren Strom über einen Widerstand R, an dem die 30 Hilfsversorgungsspannungen Uh bzw. Uh1 liegen. An dem positiven Eingang des Koparators KOM liegt somit eine Spannung, welche der aktuellen Hilfsspannung entspricht. An dem negativen Eingang des Komparators KOM liegt eine Spannung, die mit Hilfe eines Spannungsteilers Ra, Rb aus der Eingangsspannung Uzk erhalten wird. Im Mitkopplungszweig des Komparators KOM ist ein Widerstandsnetzwerk R41, R42 vorgesehen, welches das Hystereseverhalten des 35 Komparators KOM bestimmt.The drive circuit AST has an input H for its operating voltage, hereinafter referred to as auxiliary supply voltage. This auxiliary supply voltage is, as already mentioned above, obtained in two ways. During the start-up phase of the drive circuit or of the switched-mode power supply in general, a voltage is available which is connected to an auxiliary voltage capacitor Cs and is obtained with the aid of a high-impedance current path, here a high-impedance series resistor Rs. This voltage is designated here by Uh and it is guided over the switching path of a semiconductor auxiliary switch Ts to said voltage supply input H of the drive circuit AST. During operation of the switched-mode power supply, an auxiliary winding Wh supplies a voltage which is rectified by means of a rectifier diode D and smoothed on a capacitor C. This voltage is also passed via a series regulator LAE and a decoupling diode De to the supply input H of the drive circuit AST. In order to enable the hysteresis off or on of the auxiliary switch Ts, which here has a base-emitter resistor Rbe, a comparator COM is provided, the output of which is guided to the switching input of the auxiliary switch Ts, here to the base. The positive input of the comparator KOM is connected to the reference voltage Uref generated by a Zener diode Zref. The zener diode Zref receives its current via a resistor R, at which the auxiliary supply voltages Uh and Uh1 are located. At the positive input of the Koparators KOM is thus a voltage corresponding to the current auxiliary voltage. At the negative input of the comparator KOM is a voltage which is obtained by means of a voltage divider Ra, Rb from the input voltage Uzk. In Mitkopplungszweig the comparator KOM is a resistor network R41, R42 provided which determines the hysteresis of the comparator KOM.
Sinkt bei dieser Schaltung des Schaltnetzteils die Eingangsspannung Uzk unter einen durch die Referenzdiode Zref vorgegebenen Wert, z. B. 100 Volt, so schaltet der Komparator KOM den Hilfsschalter Ts aus und damit die Hilfsversorgungsspannung von der Ansteuerschaltung AST 40 ab, welche sodann nicht mehr taktet und das gesamte Schaltnetzteil stellt seinen Stromversorgungsbetrieb ein. Steigt die Versorgungsspannung Uzk danach wieder an, so schaltet der Komparator KOM jedoch mit einer Hysterese von beispielsweise 20 Volt, den Hilfsschalter Ts wieder durch, was entsprechend der genannten beispielsweisen Hysterese dann bei einer Eingangsspannung Uzk von 120 Volt erfolgt. 45Decreases in this circuit of the switching power supply, the input voltage Uzk below a predetermined by the reference diode Zref value, z. B. 100 volts, the comparator KOM turns off the auxiliary switch Ts and thus the auxiliary supply voltage from the control circuit AST 40, which then no longer clocks and the entire switching power supply stops its power supply operation. If the supply voltage Uzk then increases again, however, the comparator KOM switches through the auxiliary switch Ts again with a hysteresis of, for example, 20 volts, which then takes place at an input voltage Uzk of 120 volts in accordance with the aforementioned exemplary hysteresis. 45
Wenngleich durch diese Schaltung die gewünschte Funktion des Aus- bzw. wieder Einschaltens sicher gestellt ist, ist daran der relativ hohe Stromverbrauch (Verlustleistung) der benötigten Bauteile nachteilig, ebenso der Platzbedarf der Bauteile. so Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Schaltung für das gesteuerte Ein- bzw. Ausschalten der Hilfsversorgungsspannung zu finden, welche einen geringeren Stromverbrauch aufweist und einfacher im Aufbau ist.Although the desired function of switching off and on again is ensured by this circuit, the relatively high power consumption (power loss) of the required components is disadvantageous, as is the space requirement of the components. It is an object of the invention to provide a circuit for the controlled switching on and off of the auxiliary supply voltage, which has a lower power consumption and is simpler in construction.
Diese Aufgabe wird mit einem Schaltnetzteil der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem 55 erfindungsgemäß die Steuerelektrode des Hilfsschalters einerseits mit einem Referenzspan- 4This object is achieved with a switching power supply of the type mentioned, in which according to the invention 55 the control electrode of the auxiliary switch on the one hand with a reference chip. 4
AT 413 910 B nungsausgang einer in der Ansteuerschaltung intern erzeugten Referenzspannung und andererseits mit einem Teilerpunkt eines Eingangsspannungsteilers verbunden ist, sodass bei arbeitender Ansteuerschaltung die Steuerelektrode des Hilfsschalters eine zusätzliche Spannung im Sinne eines Durchsteuerns des Hilfsschalters erhält.AT 413 910 B voltage output of a drive circuit internally generated reference voltage and on the other hand connected to a divider point of an input voltage divider, so that when the drive circuit, the control electrode of the auxiliary switch receives an additional voltage in the sense of driving through the auxiliary switch.
Die Schaltung nach der Erfindung benötigt keinen Komparator und somit auch nicht die stromverzehrenden Elemente an der Eingangsbeschaltung eines solchen Komparators. Sie ist einfach und billig im Aufbau und die Verlustleistung kann erheblich gesenkt werden.The circuit according to the invention does not require a comparator and thus also not the current-consuming elements on the input circuit of such a comparator. It is simple and cheap in construction and the power loss can be significantly reduced.
Um Rückwirkungen auf den Schaltregler zu vermeiden, ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass zwischen Referenzspannungsausgang und Steuerelektrode des Hilfsschalters ein Entkopplungswiderstand geschaltet ist.In order to avoid repercussions on the switching regulator, it is provided in an advantageous embodiment of the invention that a decoupling resistor is connected between the reference voltage output and the control electrode of the auxiliary switch.
Im Sinne einer freieren Wahl der Einschalt/Ausschaltschwelle des Hilfsschalters ist es zweckmäßig, wenn der Entkopplungswiderstand zwischen Referenzspannungsausgang und dem Teilerpunkt eines Spannungsteilers liegt.In terms of a freer choice of the on / off threshold of the auxiliary switch, it is expedient if the decoupling resistor between the reference voltage output and the divider point of a voltage divider is.
Um mit möglichst wenigen Schaltelementen das Auslangen zu finden und dennoch eine sichere Funktion zu erreichen, ist es zweckmäßig, wenn die Eingangsspannung über die Serienschaltung zweier Widerstände zu einem Hilfsspannungskondensator geführt ist, von wo die Hilfsspannung über die Schaltstrecke des Hilfsschalters zu dem Hilfsspannungseingang der Ansteuerschaltung gelangt, und an den Verbindungspunkt der beiden Widerstände der Serienschaltung der Eingangsspannungsteiler für die Steuerelektrode des Hilfsschalters angeschlossen ist. Dies nimmt auf den Umstand Rücksicht, dass hochohmige (Leistungs)widerstände technisch meist aus der Serienschaltung von zwei oder mehr Widerständen bestehen.In order to find with as few switching elements Auslangen and yet to achieve a safe function, it is advantageous if the input voltage is connected via the series connection of two resistors to an auxiliary voltage capacitor, from where the auxiliary voltage reaches the auxiliary voltage input of the drive circuit via the switching path of the auxiliary switch , And connected to the junction of the two resistors of the series connection of the input voltage divider for the control electrode of the auxiliary switch. This takes into account the fact that high-resistance (power) resistors technically mostly consist of the series connection of two or more resistors.
Um ein gut definiertes Ablösen der Spannungsversorgung auf dem Längsregler bzw. umgekehrt zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Referenzspannung an dem Referenzspannungsausgang der Ansteuerschaltung ein- bzw. abgeschaltet ist, wenn die Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung einen Schwellwert über- bzw. unterschreitet. Dabei ist es empfehlenswert, wenn das Ein- bzw. Abschalten der Referenzspannung mit Hysterese erfolgt.In order to enable a well-defined detachment of the voltage supply to the series regulator or vice versa, it is advantageous if the reference voltage at the reference voltage output of the drive circuit is switched on or off when the supply voltage of the drive circuit exceeds or falls below a threshold value. It is advisable to switch the reference voltage on or off with hysteresis.
Die Erfindung samt weiterer Vorteile ist im Folgenden anhand einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht ist. In dieser zeigen:The invention together with further advantages is explained below with reference to an exemplary embodiment, which is illustrated in the drawing. In this show:
Fig. 1 die bereits weiter oben beschriebene Schaltung eines Schaltnetzteils nach dem Stand der Technik undFig. 1, the already described above circuit of a switching power supply according to the prior art and
Fig. 2 die Schaltung eines Schaltnetzteils nach der Erfindung.Fig. 2 shows the circuit of a switching power supply according to the invention.
Die Schaltung nach Fig. 2 entspricht in ihrem wesentlichen Aufbau der in Fig. 1 gezeigten, was unschwer zu erkennen ist. Unterschiedlich von der Schaltung nach Fig. 1 ist die Ansteuerung des Hilfsschalters Ts, der hier als FET ausgebildet ist. Zunächst ist für die Erfindung eine Ansteuerschaltung AST Voraussetzung, bei welcher eine Referenzspannung Uref an einem Referenzausgang R verfügbar ist, wobei diese Referenzspannung ein- bzw. abgeschaltet wird, sobald die Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung einen Schwellwert über-/unter-schreitet, wobei eine Hysterese vorhanden sein kann. Im Handel erhältliche Ansteuerschaltungen AST verfügen alle über eine solche Referenzspannung, doch wurde sie bis jetzt nicht für den weiter unten beschriebenen Zweck herangezogen. Die Referenzspannung Uref der Ansteuerschaltung AST wird über einen Entkopplungswiderstand Rf der Steuerelektrode, hier dem Gate, des Hilfsschalters Ts zugeführt. Wenngleich es nicht ungedingt erforderlich ist, kann man einen Spannungsteiler R3, R4 für die Referenzspannung Uref vorsehen, von dessen Teilerpunkt der Entkopplungswiderstand Rf zu dem Gate des Hilfssschalters Ts führt. Durch Wahl des Widerstandsverhältnisses R3/R4 hat man einen weiten Dimensionierungsspielraum hinsichtlich der Schalteigenschaften.The circuit of Fig. 2 corresponds in its essential structure of that shown in Fig. 1, which is not difficult to recognize. Different from the circuit of FIG. 1 is the control of the auxiliary switch Ts, which is designed here as FET. First of all, a drive circuit AST is required for the invention in which a reference voltage Uref is available at a reference output R, this reference voltage being switched on or off as soon as the supply voltage of the drive circuit exceeds / falls below a threshold value, whereby a hysteresis exists can be. Commercially available drive circuits AST all have such a reference voltage but have not heretofore been used for the purpose described below. The reference voltage Uref of the drive circuit AST is supplied via a decoupling resistor Rf to the control electrode, here the gate, of the auxiliary switch Ts. Although not absolutely necessary, one can provide a voltage divider R3, R4 for the reference voltage Uref, from the divider point of which the decoupling resistor Rf leads to the gate of the auxiliary switch Ts. By choosing the resistance ratio R3 / R4, one has a wide dimensioning latitude with regard to the switching characteristics.
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